Des modèles anatomiques aux guides chirurgicaux : comment tirer parti de l'impression 3D en chirurgie cranio-maxillo-faciale

L'utilisation de la fabrication additive dans le domaine médical se développe rapidement, car de plus en plus de médecins et de chirurgiens trouvent des moyens d'utiliser ces procédés dans leurs disciplines, et les matériaux biocompatibles ainsi que les imprimantes 3D de haute qualité sont de plus en plus accessibles sur le marché.

À l'hôpital universitaire de Bâle, en Suisse, le Dr Florian Thieringer, professeur et titulaire de la chaire de chirurgie buccale et crânio-maxillo-faciale, met en évidence les avantages de la technologie d'impression 3D pour ses cas chirurgicaux. 

En tant que responsable du groupe de recherche sur la fabrication additive médicale (Swiss MAM) et cofondateur du laboratoire d'impression 3D sur le campus de l'hôpital, le Dr Thieringer et son équipe s'efforcent avec passion d'accroître la popularité des solutions médicales innovantes utilisant la planification chirurgicale virtuelle (VSP) et l'impression 3D en fournissant les installations, en formant les étudiants et en publiant les conclusions de leurs travaux de recherche.

Lors de notre webinaire, le Dr Thieringer a montré l'évolution de la VSP et de l'impression 3D médicale au cours des dernières décennies, présenté un flux de travail numérique typique et donné des exemples concrets de cas chirurgicaux courants pour lesquels il utilise l'impression 3D, depuis les modèles jusqu'aux guides d'implants.

L'évolution de l'impression 3D en chirurgie médicale a commencé dès l'introduction de la tomographie assistée par ordinateur (TAO), qui a permis aux cliniciens de créer des modèles numériques tridimensionnels de tissus et d'organes. Une solution de répliques anatomiques haptiques devait être trouvée pour permettre aux médecins non seulement de diagnostiquer des maladies ou de planifier des traitements à l'aide de ces scanners, mais aussi d'utiliser ces données radiologiques dans la salle d'opération.

Avec le développement de l'impression 3D, celle-ci est rapidement devenue le principal moyen de produire des modèles anatomiques personnalisés. Les premiers modèles anatomiques imprimés en 3D à partir de scanners numériques ont été réalisés à l'aide de méthodes de fabrication soustractives telles que le fraisage à partir de blocs de mousse. Ces modèles présentaient de nombreuses limitations en termes de liberté géométrique, de précision, de temps et de coût. 

Grâce à l'impression 3D stéréolithographique (SLA) et à frittage sélectif par laser (SLS), les ingénieurs cliniciens peuvent produire en peu de temps des modèles anatomiques pour des cas chirurgicaux complexes. Au cours des 20 dernières années, les imprimantes 3D ont considérablement évolué et se sont imposées dans divers domaines médicaux, en particulier la dentisterie, l'orthopédie et les procédures cranio-maxillo-faciales.

Il y a 20 ans, un tel modèle devait être sous-traité, coûtait plusieurs milliers d'euros et mettait des semaines à arriver sur le lieu de soins. Mais aujourd'hui, de plus en plus d'hôpitaux innovants tels que l'hôpital universitaire de Bâle en Suisse disposent de leurs propres installations d'impression. Grâce à cet équipement, même un modèle de crâne de grande taille peut être imprimé pour moins de 50 € en un seul jour.

Pour poursuivre cette mission commune visant à rendre l'impression 3D accessible, Formlabs a été à l'avant-garde du développement de processus et de matériaux, développant continuellement de nouveaux matériaux d'impression 3D médicaux en mettant l'accent sur des propriétés mécaniques spécifiques et des propriétés biocompatibles pour des applications médicales telles que celles sur lesquelles travaille le Dr Thieringer.  

En imprimant en 3D un modèle anatomique du patient avant l'opération, le Dr Thieringer peut créer un plan plus spécifique de sa procédure chirurgicale ainsi que des guides de forage et de coupe adaptés à l'anatomie unique du patient, ou même des implants préformés. Une autre application parfaite pour les chirurgiens est l'impression en 3D d'instruments spécialement conçus pour une opération donnée. Pour cela, certains matériaux imprimés en 3D peuvent être stérilisés pour être utilisés en salle d'opération.

Dans le domaine de la chirurgie reconstructive, la chirurgie orthognatique et l'implantation dentaire sont principalement facilitées par les processus d'impression 3D médicale.

En général, le flux de travail pour ces procédures commence par une tomographie assistée par ordinateur (CT scan) effectuée par un radiologue, suivie d'un processus de segmentation effectué par un ingénieur clinique. La deuxième étape fournit au chirurgien une reconstruction tridimensionnelle des données anatomiques du scan. Les données peuvent même être fusionnées avec des informations provenant d'un scan de surface de la peau ou d'un scan intra-oral du patient, en fonction de l'intervention chirurgicale prévue. Ce modèle numérique peut ensuite être opéré virtuellement pour préparer une opération réelle, ou imprimé en 3D pour planifier des implants spécifiques au patient et créer des guides chirurgicaux.

« Voici l'exemple d'un patient souffrant d'une fracture du plancher orbital. En raison de la fracture, la patiente ne peut pas bouger correctement son globe oculaire, ce qui entraîne une diplopie (vision double) », explique le Dr Thieringer.

Une fracture du plancher orbital est généralement traitée en fixant un implant en titane à l'intérieur de l'orbite pour remplacer ou maintenir les parties osseuses cassées.

« Il est difficile d'obtenir un implant en titane de forme parfaite. Nous travaillons encore sur l'impression en interne d'implants en PEEK et en titane. Une solution simple et rapide consiste donc à imprimer un modèle anatomique de l'orbite du patient à l'aide d'une imprimante 3D SLA. Grâce à ce modèle imprimé en 3D, je peux, en tant que chirurgien, pré-plier ou préformer un implant en titane standard pour éparer l'orbite », explique Florian Thieringer.

Ces types de guides imprimés en 3D ne prennent que quelques heures à fabriquer dans un laboratoire d'impression interne et peuvent être utilisés pour presque tous les types de fractures. 

Vu la rapidité avec laquelle il est possible d'imprimer en 3D des guides en interne, on pourrait même envisager de les utiliser pour des chirurgies traumatiques aiguës.

Les données du groupe de recherche suisse MAM, dirigé par le Dr Thieringer, montrent une réduction significative du temps des opérations quand celles-ci sont aidées par leur laboratoire d'impression 3D. L'utilisation d'implants spécifiques au patient conçus à l'aide de modèles imprimés en 3D avant l'opération a permis de réduire la durée de l'intervention chirurgicale de plus de 35 minutes. En fonction de la procédure, cela peut se traduire par des économies de plusieurs milliers de dollars, mesurées par le coût par minute dans la salle d'opération. 

Si l'on se réfère à l'exemple précédent d'une reconstruction du plancher orbital avec 22 $ à 133 $ par minute dans la salle d'opération, cela implique une réduction des coûts d'environ 1488 $ à 3720 $ au total.

Source: ScienceDirect

Les chirurgies orthognathiques constituent un autre domaine majeur dans lequel les flux de travail numériques sont souvent utilisés à l'hôpital universitaire de Bâle. Le processus commence à nouveau par une tomodensitométrie pour fournir les données numériques en 3D. En outre, un scan intraoral est réalisé pour le combiner avec l'anatomie de la mâchoire du patient. 

« Grâce aux informations numériques, nous sommes en mesure de connaître la position exacte de la mâchoire supérieure et inférieure avant l'opération. Cela nous permet également de fabriquer des attelles imprimées en 3D pour le traitement postopératoire », explique le Dr Thieringer.

« Nous utilisons l'impression 3D non seulement pour les traitements et les interventions chirurgicales, mais aussi pour la formation. Par exemple, en créant des modèles sur lesquels les étudiants peuvent opérer. L'impression 3D nous permet de simuler presque toutes les pathologies », explique Florian Thieringer. 

Pour offrir cette formation aux futurs médecins et chirurgiens, le laboratoire interdisciplinaire d'impression 3D de l'hôpital universitaire de Bâle a été créé en 2015/16 en coopération avec le département de radiologie et d'autres chirurgiens.

Il permet aux étudiants, aux médecins et aux ingénieurs de mener des recherches sur des sujets tels que les implants intelligents, les technologies innovantes ou les techniques de chirurgie peu invasive, tout en étudiant des opérations réelles réalisées avec l'aide de l'impression 3D.

En résumé, les principaux avantages de l'impression 3D en chirurgie orale et maxillo-faciale crânienne sont les suivants selon le Dr Florian Thieringer :

• La préparation chirurgicale préopératoire permet une opération plus précise

• Réduction significative des délais et des coûts

• Procédures moins invasives

• Traitements spécifiques aux patients

• Amélioration de la sécurité des patients, réduction du temps passé à l'hôpital

• Moins de complications

• Enseignement et formation pratiques

Regardez notre webinaire avec le Dr. Thieringer pour plus d'informations sur le flux de travail numérique et les cas cliniques. Découvrez les résines BioMed pour les applications médicales ou contactez nos experts pour discuter de l'utilisation de l'impression 3D dans votre domaine.